FPGA矩阵键盘 键盘

yuyang911220

1、行列式键盘概述
为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O口线的数目，在键数较多时，通常都将键盘排列成行列矩阵式，行列式键盘又叫矩阵式键盘。用带有I/O口的线组成行列结构，按键设置在行列的交点上。例如用2*2的行列结构可以构成4个键的键盘，4*4的行列结构可以构成有16个键的键盘。这样，当按键数量平方增长时，I/O口线只是线性增长，这样就可以节省I/O口线。
2、行列式键盘原理
教研室已有薄膜矩阵键盘，其实物图如图所示。

其电路原理图如下图所示。

按键设置在行列线交叉点，行、列线分别连接到按键开关的两端。列线通过上拉电阻接+5V的电压，即列线的输出被钳位到高电平状态。行线与按键的一个引脚相连，列线与按键的另一个引脚相连。判断键盘中有无按键按下是通过行线送入扫描信号，然后从列线读取状态得到的。其方法是依次给行线送低电平，检查列线的输入。如果列线信号全为高电平，则代表低电平信号所在的行中无按键按下；如果列线有输入为低电平，则低电平信号所在的行和出现低电平的列的交点处有按键按下。
设行扫描信号为keydrv3~keydrv0，列线按键输入信号keyin3~keyin0与按键位置的关系如下表所示。

由行列式键盘的原理可以知道，要正确地完成按键输入工作必须有按键扫描电路产生keydrv3~keydrv0信号。同时还必须有按键译码电路从keydrv3~keydrv0信号和keyin3~keyin0信号中译码出按键的键值。此外，一般还需要一个按键发生标志信号用于和其他模块接口，通知其它模块键盘上有按键动作发生，并可以从键盘模块中读取按键键值。由于各个模块需要的时钟频率是不一样的，因此时钟产生模块就是用于产生各个模块需要的时钟信号。因此得到键盘接口电路的结构如图2所示。

图2 键盘接口电路结构图

行列式键盘电路的FPGA实现主要解决三个问题，一是如何检测是否有按键按下并防止采集到干扰信号；二是在按键闭合时如何防止抖动；三是如何判断为哪一个按键位动作，并对其进行译码。因此，为了解决这些问题，程序中使用不同的进程分别实现键盘扫描信号的产生、键盘去抖以及键盘的译码。

3、源程序

[plain] view plaincopy

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• -- Company:   
• -- Engineer:   
• --   
• -- Create Date:    08:46:57 07/31/2012   
• -- Design Name:   
• -- Module Name:    MatrixKeyboard - Behavioral   
• -- Project Name:   
• -- Target Devices:   
• -- Tool versions:   
• -- Description:   
• --  
• -- Dependencies:   
• --  
• -- Revision:   
• -- Revision 0.01 - File Created  
• -- Additional Comments:   
• --  
• ----------------------------------------------------------------------------------  
• library IEEE;  
• use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;  
• use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;  
• use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;  
• 
  
• ---- Uncomment the following library declaration if instantiating  
• ---- any Xilinx primitives in this code.  
• --library UNISIM;  
• --use UNISIM.VComponents.all;  
• 
  
• entity MatrixKeyboard is  
•     Port ( Clk      : in    STD_LOGIC;  
•               Reset     : in        STD_LOGIC;  
•            KeyIn        : in    STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);  
•               KeyScan   : out      STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);  
•            LED      : out   STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)  
•               );  
• end MatrixKeyboard;  
• 
  
• architecture Behavioral of MatrixKeyboard is  
• 
  
• Signal Clk_scan :   STD_LOGIC   :=      '0';  
• Signal Clk_5ms      :   STD_LOGIC   :=      '0';  
• Signal Clk_2ms      :   STD_LOGIC   :=      '0';  
• Signal Key_Scan :  STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);  
• Signal Key_Decode   :   STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);  
• 
  
• Type State_Key is(st_key1,st_key2,st_key3,st_key4);  
• Signal Current_Key : State_Key := st_key1;  
• 
  
• Type State_Scan is(st_scan1,st_scan2,st_scan3,st_scan4);  
• Signal Current_Scan : State_Scan := st_scan1;  
• 
  
• begin  
• 
  
•     Proc_Clk_5ms : process(Clk)  
•     variable cnt_clk : integer range 0 to 250000 := 0;  
•     begin  
•         if(rising_edge(Clk)) then  
•             if(cnt_clk < 125000) then      
•                 cnt_clk     := cnt_clk + 1;  
•                 Clk_scan    <= '0';  
•             elsif(cnt_clk < 249999) then  
•                 cnt_clk     := cnt_clk + 1;  
•                 Clk_scan    <= '1';  
•             else  
•                 cnt_clk     := 0;  
•             end if;  
•             Clk_5ms <= Clk_scan;  
•         end if;  
•     end process Proc_Clk_5ms;  
• 
  
•     Proc_Clk_2ms : process(Clk)  
•     variable cnt_clk : integer range 0 to 100000 := 0;  
•     begin  
•         if(rising_edge(Clk)) then  
•             if(cnt_clk < 50000) then   
•                 cnt_clk     := cnt_clk + 1;  
•                 Clk_2ms <= '0';  
•             elsif(cnt_clk < 99999) then  
•                 cnt_clk     := cnt_clk + 1;  
•                 Clk_2ms <= '1';  
•             else  
•                 cnt_clk     := 0;  
•             end if;  
•         end if;  
•     end process Proc_Clk_2ms;